Zusammenführung von direkter und inverser Modellierung Projekt G5: Beschreibung komplexer Vorgänge im Lichtbogen durch die Kopplung von inverser und direkter Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge U. Füssel, S. Rose, M. Schnick: TU Dresden, IOF, Professur Fügetechnik und Montage J. Kruscha, K. Schlodder, M. Tempelhagen, F. Wagner: Hochschule Lausitz, IIM 25.02.2010 Senftenberg

Zielstellung und Vorgehensweise Relevante Messgrößen sind identifiziert und werden erfasst Explorative Datenanalyse abgeschlossen Transiente Simulation und Interpretation der erkannten Zusammenhänge

Gliederung Numerisches Modell Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Eingangsdaten aus Experimenten Simulationsergebnisse Mustervergleich Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Ausblick

1. Numerisches Modell Elektrode Strömungslöser ANSYS CFX Einfaches Lichtbogenmodell ohne Fallgebiete Definieren der Metalldampfquelle an der Drahtunterseite Metalldampfeigenschaften von Murphy (CSIRO) Zweigleichungs-Turbulenzmodell (SST-Modell CFX-Standard) Erprobtes Diffusionsmodell Interface-Tracking

2. Metalldampf – Metalldampfquelle Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle Variante 1 Verdampfung direkt proportional zur gemessenen Volumenstrahlung Metalldampf Stromstärke Variante 2 Verdampfung direkt proportional zur Stromstärke

2. Metalldampf – Metalldampfquelle Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle Variante 1 proportional zum Vol-Int (Strahlung) Variante 2 direkt proportional zur Stromstärke

2. Metalldampf – Mustervergleich Up-slope Down-slope Phasenraum U-I zeigt ausgeprägten Hystereseeffekt zwischen Up-slope und Down-slope

2. Metalldampf – Mustervergleich Up-slope Down-slope Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung nicht überein

2. Metalldampf – Mustervergleich Up-slope Down-slope Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung sehr gut überein

2. Metalldampf – Mustervergleich Zwischenzusammenfassung 1. Verläufe stimmen in ihrer Charakteristik gut überein Lichtbogensäule und Metalldampfeinfluss sehr gut abgebildet 2. Spannung in Simulation im Mittel 11 V geringer Differenz entspricht etwa prognostizierten Schichtspannungen

2. Metalldampf – Metalldampfmenge 1 % 3 % 5 % Höhere Verdampfungen senken Temperaturen im Lichtbogen Höhere Verdampfungen verschieben Temperaturmaximum nach außen Bessere Übereinstimmungen in Ort und Wert der Maximaltemperatur bei hohen Verdampfungsraten (Vortrag M. Hertel)

2. Metalldampf – Mustervergleich 1. Übereinstimmung im charakteristischer Up-slope- / Down-slope-Verlauf wird mit steigender Verdampfungmenge schlechter 2. Zeitliche Änderung im Temperaturprofile über dem Puls stimmt noch nicht mit Messwerten des INP (G1) überein Vergleich Vortrag M. Hertel

2. Metalldampf – Mustervergleich Zwischenzusammenfassung Übereinstimmung der Temperaturen mit 5 % am besten Übereinstimmung des Hystereseverlaufs mit 1 % am besten Zeitliche Entwicklung derzeit noch nicht adäquat abgebildet Nächster Schritt: Weiterentwicklung Verdampfungsmodell

2. Metalldampf – Weiterentwicklung Experiment Simulation Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung

+ 2. Metalldampf – Weiterentwicklung Variante 1 - Diode Variante 2 - Strom Metalldampf Stromstärke + Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung

Gliederung Numerisches Modell Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Messtechnik Simulationsergebnisse Mustervergleich Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Ausblick

3. Geometrie – Randbedingung Geometrieerkennung Interface-Tracking

3. Geometrie – Simulationsergebnisse Ohne Drahtvorschub (1 %) Mit Drahtvorschub (1 %)

3. Geometrie – Simulationsergebnisse Ohne Drahtvorschub Mit Drahtvorschub

3. Geometrie – Mustervergleich 1. Spannung sinkt aufgrund der kürzeren Lichtbogenlänge – sichtbar v. a. im Down-slope-Bereich sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten

3. Geometrie – Mustervergleich Nächste Schritte: 1. Änderung der Lichtbogenlängen (Spannungskorrektur) 2. Änderung der Tropfengeometrie (Einschnürung)

4. Ausblick Muster: - automatisierte Geometrieauswertung zur statistischen Absicherung - Verteilung des Metalldampfes Explorative Datenanalyse Numerische Simulation

4. Ausblick Muster: - automatisierte Geometrieauswertung - Verteilung des Metalldampfes Explorative Datenanalyse Numerische Simulation Muster Validierung

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